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鄧仲輝

重油催化裂化由于能將作為燃料燒掉的重質(zhì)油品進(jìn)一步改善油品的分布，轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的輕質(zhì)油品和液態(tài)烴，從而獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益受到了人們的高度重視。但是催化裂化反應(yīng)溫度高、速度快、處理量大，加之石油化工過(guò)程具有易燃、易爆、有毒、有害、有腐蝕的特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程稍有閃失將會(huì)釀成災(zāi)難性事故，造成生產(chǎn)、設(shè)備，甚至人員等方面不可挽回的重大損失。針對(duì)上述情況，湛江東興石油企業(yè)有限公司采用PLC技術(shù)對(duì)40x104t/a重油催化裂化反應(yīng)―再生器的自保―聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行了改造，直接監(jiān)控反應(yīng)器溫度、反應(yīng)壓力及主風(fēng)流量，并能在故障狀態(tài)下迅速終止反應(yīng)，切斷進(jìn)料、切斷兩器、切斷主風(fēng)，保護(hù)裝置及設(shè)備，杜絕了惡性事故的擴(kuò)大和蔓延，取得了顯著的效果。
1  工藝流程簡(jiǎn)介及改造的必要性
1.1  工藝流程簡(jiǎn)介
反應(yīng)―再生器主要由沉降器、提升管、汽提段、再生器、焚燒爐、旋風(fēng)分離器、再生滑閥、待生滑閥、外循環(huán)閥及雙動(dòng)滑閥等組成。重油催化裂化裝置的主要原料來(lái)自于70~90℃常壓渣油，常壓渣油由原油泵抽出加壓后送至輕柴油―原料換熱器、循環(huán)油漿―原料換熱器換熱至225℃，分四路經(jīng)原料油霧化噴嘴進(jìn)入提升管反應(yīng)器，與來(lái)自再生器的700℃的高溫再生催化劑接觸并迅速升溫、氣化，在現(xiàn)催化劑沿提升管向上流動(dòng)的同時(shí)，不斷發(fā)生裂變反應(yīng)，520℃的反應(yīng)油氣與催化劑在提升管出口的兩組粗旋風(fēng)分離器得到分離后，接下來(lái)經(jīng)氣升管進(jìn)入兩組單級(jí)旋風(fēng)分離器，再一步除去攜帶的催化劑細(xì)粉后，反應(yīng)油氣離開沉降器進(jìn)入分餾塔。
積炭的待生催化劑自粗旋風(fēng)分離器料腿及沉降器單級(jí)旋風(fēng)分離器料腿進(jìn)入汽提段與汽提蒸汽逆流接觸以汽提出催化劑所攜帶的油氣。汽提后的催化劑沿待生斜管，待生滑閥進(jìn)入再生器的燒焦罐下部，與自二密相經(jīng)外循環(huán)管來(lái)的高溫催化劑混合，溫度達(dá)到640℃以上，在富氧的條件下開始燒焦。再生催化劑一部分經(jīng)外循環(huán)管進(jìn)入燒焦罐下部，另一部分經(jīng)再生溢流斗流入再生斜管及再生滑閥，進(jìn)入提升反應(yīng)器底部，在蒸汽的預(yù)提升作用下，完成催化劑加速、分散過(guò)程，然后與霧化的原料均勻接觸。
再生器燒焦所需的空氣由主風(fēng)機(jī)提供，空氣從大氣吸入主風(fēng)機(jī)，升壓后經(jīng)主風(fēng)管道，輔助燃燒室及主風(fēng)分布板進(jìn)入再生器，而再生器產(chǎn)生的煙氣經(jīng)雙動(dòng)滑閥，降壓孔板后由煙囪排入大氣，主風(fēng)機(jī)出故障時(shí)，再生器燒焦所需空氣由備用主風(fēng)機(jī)提供。
1.2  改造的必要性
自保―聯(lián)鎖應(yīng)急系統(tǒng)主要由聯(lián)鎖輸入、邏輯運(yùn)算電路、聲光報(bào)警電路、聯(lián)鎖輸出、信息打印5部分組成。催化裂化反應(yīng)―再生器自保―聯(lián)鎖應(yīng)急系統(tǒng)是保證催化裂化整套裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，是生產(chǎn)過(guò)程中最穩(wěn)固的，也是最后一道安全防線，在生產(chǎn)裝置中所起的作用是其它系統(tǒng)不能取代的，它運(yùn)行得好壞直接影響催化裂化整套裝置甚至整個(gè)公司的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、產(chǎn)量及周邊的人身安全。原自保―聯(lián)鎖應(yīng)急系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算采用JTX-3C型繼電器進(jìn)行控制，由于使用的繼電器數(shù)量多，線路復(fù)雜，維護(hù)工作量大。特別是經(jīng)過(guò)幾年的連續(xù)運(yùn)行，線路及繼電器觸點(diǎn)老化，極易造成誤動(dòng)作，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。因此，為確保生產(chǎn)安全和設(shè)備正常運(yùn)行，采用PLC實(shí)現(xiàn)反應(yīng)―再生器的自保―聯(lián)鎖應(yīng)急系統(tǒng)的改造是非常必要的。
2  方案的確定
自保―聯(lián)鎖系統(tǒng)是指裝置在開工、停車和生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)的液位、壓力、流量、溫度等工藝參數(shù)的故障信號(hào)遠(yuǎn)傳至中央控制室，由緊急自動(dòng)停車系統(tǒng)ESD（Emergency Shutdown Device）監(jiān)測(cè)，并以顯著的聲光形式進(jìn)行報(bào)警，在緊急狀態(tài)時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)對(duì)工藝流程實(shí)行聯(lián)鎖保護(hù)或緊急停車，并打印出故障原因及故障時(shí)間。從滿足工藝生產(chǎn)需求出發(fā)，考慮到安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素，本方案采用了德國(guó)西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200 PLC。
2.1  硬件組成
 

圖1  自保聯(lián)鎖系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)是根據(jù)中國(guó)石化洛陽(yáng)石油化工工程公司和湛江東興石油企業(yè)有限公司提供的工藝流程，自保―聯(lián)鎖系統(tǒng)圖和技術(shù)條件而設(shè)計(jì)的。在中央操作室內(nèi)，操作人員通過(guò)ESD系統(tǒng)能對(duì)工藝流程設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)啟/停，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括一臺(tái)中央處理器單元（CPU214）、兩塊16輸入/16輸出數(shù)字量混合I/O模塊（EM223）、操作面板及一臺(tái)打印機(jī)。操作面板上設(shè)有所有聯(lián)鎖閥門的狀態(tài)指示燈、切換按鍵及其對(duì)應(yīng)的指示燈，打印機(jī)設(shè)置成串口模式，PC機(jī)用于組態(tài)修改程序。PLC控制器的輸入/輸出直接連接電磁閥，將原有的時(shí)間繼電器及輸入/輸出邏輯控制繼電器全部由PLC內(nèi)部軟件取代。壓力開關(guān)信號(hào)、行程開關(guān)信號(hào)等全部由PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，以實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)和位移調(diào)節(jié)，且具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)迅速、操作平穩(wěn)、無(wú)滯后、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲和工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
2.2  主要聯(lián)鎖參數(shù)
催化裂化兩器保護(hù)的項(xiàng)目較多，通常有如下幾種：
①  反應(yīng)溫度保護(hù) 反應(yīng)溫度正常時(shí)一般在470～530℃之間，當(dāng)反應(yīng)溫度低于470℃時(shí)，進(jìn)入反應(yīng)器的原料油和催化劑反應(yīng)不徹底，不能裂變分解。
②  兩器差壓保護(hù) 兩器差壓（再生器―沉降器）正常時(shí)一般為0.005～0.045MPa，若差壓低于0.005MPa時(shí)，會(huì)使催化劑倒流。由于沉降器的催化劑是帶有油汽的，若倒流進(jìn)入再生器焚燒爐則會(huì)引起爆炸。
③  主風(fēng)流量保護(hù) 主風(fēng)流量是再生器燒焦所需的風(fēng)量。若主風(fēng)流量低于370 Nm3/分，催化劑在兩器里將出現(xiàn)互串、倒流及循環(huán)中斷。由于主風(fēng)流量低，催化劑在流化床將失去平衡而出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)催化劑會(huì)倒入主風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)損壞或造成死床，甚至停工。
2.3  PLC輸入、輸出控制定義
PLC輸入、輸出控制定義見表1。

表1  PLC控制器輸入/輸出定義一覽表
 

2.4  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
圖2是自保―聯(lián)鎖系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖。當(dāng)反應(yīng)溫度、兩器差壓、主風(fēng)流量越限報(bào)警時(shí)，輸入報(bào)警紅燈亮，這時(shí)自動(dòng)輸出聯(lián)鎖信號(hào)，迅速切斷進(jìn)料、切斷兩器、切斷主風(fēng)和保護(hù)風(fēng)機(jī)。按進(jìn)料切斷、兩器切斷、主風(fēng)切斷輸出切除鍵時(shí)，如果各自聯(lián)鎖輸出紅燈亮?xí)r，切除綠燈就不會(huì)亮，只有在無(wú)聯(lián)鎖輸出時(shí)，切除綠燈才會(huì)亮，這種狀態(tài)就把該參數(shù)輸出切除而不再參與聯(lián)鎖，主要供設(shè)備定期檢查或臨時(shí)維修使用。
當(dāng)所監(jiān)測(cè)的變量超過(guò)其安全限定值而報(bào)警時(shí)，打印機(jī)即時(shí)打印所有輸入報(bào)警信號(hào)的名稱、時(shí)間及操作面板上的按鍵名稱，以此來(lái)監(jiān)測(cè)自保系統(tǒng)運(yùn)行及操作情況。此外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了硬手動(dòng)，強(qiáng)迫執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)切斷進(jìn)料、兩器和主風(fēng)。手動(dòng)和自動(dòng)聯(lián)鎖并存，提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng)時(shí)PLC控制繼電器，手動(dòng)時(shí)通過(guò)繼電器回路來(lái)切換。
 

圖2  自保聯(lián)鎖主邏輯關(guān)系圖

為避免誤操作，操作面板上設(shè)有一個(gè)公用雙重命令鍵。在任何按鍵操作時(shí)必須同時(shí)按下公用雙重命令鍵和相應(yīng)的操作鍵，該項(xiàng)操作才有效，這樣便增加了系統(tǒng)的安全可靠性。
手動(dòng)鍵相當(dāng)于應(yīng)急手操器，某自保參數(shù)在輸入切除后，該項(xiàng)就由全自動(dòng)方式變?yōu)榘胱詣?dòng)方式，由操作人員應(yīng)急使用。手動(dòng)鍵只有在輸出復(fù)位之后操作才有效，各手動(dòng)鍵之間仍然具有各輸出之間的聯(lián)鎖關(guān)系。
當(dāng)面板上有輸入報(bào)警時(shí)，顯示發(fā)光二極管變紅色，此報(bào)警不受輸入切除影響。
3  軟件設(shè)計(jì)
PLC系統(tǒng)的軟件組成依據(jù)是邏輯關(guān)系圖，各部分控制程序都是根據(jù)其工作原理所完成的功能以梯形圖方式編寫，算法和實(shí)現(xiàn)方法直觀、簡(jiǎn)明。PLC與打印機(jī)之間通信由LAD或STL指令來(lái)控制，通訊口這種操作模式稱為自由端口模式，在該模式下用程序定義波特率、每個(gè)字節(jié)位數(shù)、奇偶校驗(yàn)和通訊協(xié)議。本應(yīng)用程序用MOVB 16#9，SMB30初始化自由端口0、9600波特率、每個(gè)字節(jié)8位數(shù)、無(wú)校驗(yàn)、自由端口協(xié)議，利用XMT指令發(fā)送數(shù)據(jù)，且用SM4.5監(jiān)視發(fā)送狀態(tài)。
4  結(jié)語(yǔ)
催化裂化自保―聯(lián)鎖系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造后，完全符合生產(chǎn)控制要求，運(yùn)行良好。它滿足了工藝要求，具有運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，程序修改靈活，操作方便等特點(diǎn)，同時(shí)為裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行起到了非常重要的作用。如果將S7-200 PLC增加若干塊擴(kuò)展卡，將全套裝置儀表的模擬量、開關(guān)量全都輸入其中，并由PLC來(lái)完成整套裝置自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)表盤的CRT操作，整個(gè)控制過(guò)程將更加可靠、經(jīng)濟(jì)，并大大減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也便于和其它裝置一起組成大型DCS。實(shí)踐證明，這套自保―聯(lián)鎖系統(tǒng)，在重油催化裂化反應(yīng)―再生器上的應(yīng)用是成功的。